การพิมพ์ 3 มิติ

การพิมพ์ 3 มิติ () คือ กระบวนการสร้างวัตถุสามมิติซึ่งมีขั้นตอนในลักษณะเดียวกันกับการพิมพ์โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อใช้ในการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว (rapid prototype) และการผลิตแบบเรียงชั้น (additive manufacturing) วัสดุจะถูกขึ้นรูปหรือวางเชื่อมต่อกันภายใต้การควบคุมของคอมพิวเตอร์ วัตถุสามมิตินี้สร้างขึ้นจากข้อมูลดิจิทัลของแบบจำลองคอมพิวเตอร์ ทั้งในรูปแบบข้อมูล3มิติ (3D model) หรือ ในรูปแบบชุดข้อมูล2มิติที่เรียงซ้อนเป็นชั้นๆ (sequential layers) ซึ่งทำให้สามารถขึ้นรูปได้เกือบทุกรูปทรง 

 หลักการทำงานของการพิมพ์ 3 มิติ 
ก่อนที่จะพิมพ์งาน 3 มิติต้องมีการสร้างข้อมูล3 มิติในรูปแบบของดิจิทัล ที่สามารถนำไปใช้งานกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ จากการออกแบบร่วมกับการใช้ซอฟแวร์คอมพิวเตอร์ช่วยการออกแบบ (Computer Aided Design, CAD) นอกจากจะใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการออกแบบแล้ว ยังสามารถใช้ สแกนเนอร์ 3 มิติ ในการสร้างข้อมูลโดยการอ่านแบบวัตถุจริงที่นำมาทำสำเนา3 มิติได้ ไฟล์ดิจิทัลที่สามารถนำไปใช้งานกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติโดยทั่วไป คือ ไฟล์ STL

เมือได้แบบจำลองหรือชิ้นงาน3 มิติในรูปของไฟล์ดิจิทัลแล้ว ซอฟแวร์ของการพิมพ์ก็จะนำไฟล์นั้นไปทำการตัดออกมาให้เป็นชั้นในลักษณะแผ่นงาน 2 มิติ จำนวนชั้นหรือแผ่นงานขึ้นกับความละเอียดในการพิมพ์  เพื่อที่จะสั่งให้เครื่องพิมพ์พิมพ์ชุดแผ่นงานทับต่อกันเป็นชั้นๆ จนเกิดเป็นวัตถุ 3 มิติขึ้นมา หากยังนึกไม่ออกลองนึกถึง ก้อนขนมปังก้อนยาวๆ แล้วถูกหั่นเป็นแผ่นบางๆ ซึ่งถ้าเราเอาแผ่นบางๆ มาวางเรียงซ้อนกันแล้วทาแยม ลงระหว่างแผ่นขนมปัง ก็จะทำให้เกิดเป็นขนมปังก้อนยาว ก้อนเดียว ซึ่งตัวแยมนั้น ก็เปรียบเสมือนกาว ที่เอาไว้ยึดระว่างแผ่นขนมปัง

หลังการพิมพ์จะมีการตกแต่งผิวงาน ซึ่งหากการพิมพ์มีความละเอียดสูง และหรือ ลักษณะการนำงานพิมพ์ 3 มิติไปใช้อย่างเรียบง่าย อาจไม่มีความจำเป็นต้องตกแต่งผิวงาน แต่ทั้งนี้ในการพิมพ์ระบบฉีดเส้นวัสดุบางครั้งมีการใช้วัสดุรองรับ(support material) เพื่อรับน้ำหนักวัสดุพิมพ์ที่ยื่นออกมาในลักษณะนั่งร้าน ซึ่งจำเป็นต้องขจัดวัสดุรองรับออกก่อนการนำงานพิมพ์ไปใช้งาน
ซึ่งวัสดุรองรับนั้นส่วนใหญ่จะเป็นวัสดุเดียวกันกับวัสดุที่ใช้พิมพ์ แต่มีเครื่องพิมพ์ 3 มิติบางรุ่นที่ใช้วัสดุอื่นๆ เพื่อเพิ่มความสามารถในการพิมพ์ให้ได้รูปร่างหลากหลายและสมบูรณ์ยิ่งขึ้น

หลักการทำงานเครื่องพิมพ์ 3 มิติ (3D Printer) ในปัจจุบันมี 2 รูปแบบคือ 

 การพิมพ์2มิติเรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ 
ใช้หลักการเดียวกับการพิมพ์ 2มิติในแนวนอน แล้วนำมาต่อซ้อนกันเป็นชั้นๆ แต่ละชั้นที่พิมพ์คือภาพตัดขวาง (cross section) ของวัตถุนั้น เมื่อพิมพ์เสร็จในสองมิติในชั้นแรกแล้วเครื่องพิมพ์จะเลื่อนแท่นรับงานพิมพ์ขึ้นหรือลงในแนวตั้ง เพื่อพิมพ์ชั้นถัดไป จากนั้นการพิมพ์ซ้อนและเลื่อนแท่นรับงานลงในแนวตั้งที่ละชั้นอย่างต่อเนื่องจนออกมาเป็นรูปร่าง 3 มิติ 

 การพิมพ์3มิติโดยตรง 
การพิมพ์ที่ไม่อาศัยการพิมพ์ซ้อนกันชั้นๆ อาจเป็นลักษณะการวาดขึ้นรูปวัสดุสามมิติด้วยมืออย่างอิสระ (3D pen)

 ประเภทของการพิมพ์ 3มิติ 
ปัจจุบันประเภทของการพิมพ์ 3มิติ แบ่งตามวัสดุและเทคโนโลยีการขึ้นรูปได้เป็น
  ประเภทเทคโนโลยีวัสดุระบบฉีดเส้นวัสดุ
(Extrusion)Fused deposition modeling (FDM) or Fused filament fabrication (FFF)เทอร์โมพลาสติก, วัสดุที่กินได้, ยาง, ดินปั้นRobocasting or Direct Ink Writing (DIW)วัสดุเซรามิก, โลหะผสม, วัสดุผสมเซรามิกโลหะ (cermet)Composite Filament Fabrication (CFF)ไนลอน หรือไนลอนที่มีเส้นใยคาร์บอนเสริมแรง, เคฟลาร์, แก้วระบบเรซิ่น
(Light polymerized)Stereolithography (SLA)พลาสติกพอลิเมอร์ไวแสงDigital Light Processing (DLP)พลาสติกพอลิเมอร์ไวแสงContinuous Liquid Interface Production (CLIP)พลาสติกพอลิเมอร์ไวแสงระบบผงวัสดุ
(Powder Bed, Powder Fed)Powder bed and inkjet head 3D printing (3DP)โลหะผสม, ผงพอลิเมอร์, พลาสเตอร์Electron-beam melting (EBM)โลหะผสม รวมทั้ง ไทเทเนียมอัลลอยSelective laser melting (SLM)ไทเทเนียมอัลลอย, โครเมียมอัลลอย, เหล็กกล้าไร้สนิม, อะลูมิเนียมSelective heat sintering (SHS)ผงเทอร์โมพลาสติกSelective laser sintering (SLS)เทอร์โมพลาสติก, ผงโลหะ, ผงเซรามิกDirect metal laser sintering (DMLS)โลหะผสมDirected Energy Depositionโลหะผสมระบบอัดลามิเนต
(Laminated)Laminated object manufacturing (LOM)กระดาษ, แผ่นฟิล์มโลหะ, แผ่นฟิล์มพลาสติก

 ระบบฉีดเส้นวัสดุ 
ระบบฉีดเส้นวัสดุ (extrusion deposition) ได้แก่ FDM (Fused Deposit Modeling)FDM is a proprietary term owned by Stratasys. All 3-D printers that are not Stratasys machines and use a fused filament process are referred to as or fused filament fabrication (FFF). หรือ FFF (Fused Filament Fabrication) เป็นรูปแบบการพิมพ์ 3มิติ ที่นิยมใช้กันมากที่สุดในปัจจุบันเนื่องจากการใช้งานที่ง่าย มีหลักการทำงานคือ การหลอมเส้นวัสดุให้กลายเป็นของเหลวแล้วฉีดออกมาเป็นเส้นผ่านหัวฉีด (Nozzle) (ในลักษณะเดียวกับปืนกาวที่ใช้กันทั่วไป) หัวฉีดของเครื่องพิมพ์จะวาดเส้นพลาสติกที่ถูกฉีดออกมาเป็นรูปร่างในระนาบแนวนอน เมื่อเสร็จชั้นหนึ่งๆก็จะพิมพ์ในชั้นต่อๆไป (layers) จำนวนชั้นเป็นไปตามความสูงของแบบ และ ความละเอียดในการพิมพ์  

พลาสติกเป็นวัสดุที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการพิมพ์ระบบนี้ ได้แก่ โพลีเอทิลีนอะครีโลไนไตรล์ (ABS), โพลีคาร์บอเนต (PC), โพลีคลอรีน (PLA), โพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE), PC / ABS polyphenylsulfone (PPSU) และโพลิสไตรีนรับแรงกระแทกสูง (HIPS) ทั้งนี้วัสดุรองรับต้องมีส่วนผสมที่ทำให้ละลายน้ำได้หรือสามารถแกะออกจากวัสดุพิมพ์ได้ง่าย

 ระบบเรซิ่น 
ระบบเรซิ่น หรือ ระบบถาดเรซิ่น ได้แก่ SLA (Stereolithography) หรือ DLP (Digital Light Processing) เป็นระบบที่ใช้การฉายแสงไปที่ตัววัสดุพอลิเมอร์ไวแสง (Photo Resin, Photopolymer)บรรจุในถาดที่เคลื่อนที่ขึ้นลงได้ เมื่อเรซิ่นถูกแสงจะแข็งตัวเฉพาะจุดที่โดนแสง จึงใช้หลักการแข็งตัวของเรซิ่นนี้ในการทำชิ้นงานให้เกิดรูปร่างขึ้นมา เมื่อทำให้เกิดรูปร่างขึ้นในชั้นหนึ่งๆแล้วเครื่องก็จะเริ่มทำให้แข็งเป็นรูปร่างในชั้นต่อๆไปโดยการเคลื่อนถาดลงไปทีละชั้น จนเกินเป็นชิ้นงานวัตถุที่จับต้องได้ 

 ระบบผงวัสดุ 
ระบบผงวัสดุ มีการพิมพ์ 2 รูปแบบคือ การพิมพ์ตัวยึดจับ (Binder) หรือ กาว ลงไปรวมผงวัสดุ เพื่อผสานยึดตัวเข้าด้วยกันเป็นรูปร่าง เมื่อสร้างเสร็จในชั้นหนึ่ง เครื่องพิมพ์จะเกลี่ยผงวัสดุมาทับเป็นชั้นบางๆในชั้นต่อไป ได้แก่ 3DP (Powder Bed and Inkjet Printer) เป็นระบบที่ใช้ผงยิปซั่ม+สี Ink Jet (Powder 3D Printer หรือ ColorJet Printing) เป็นระบบใช้ผงยิปซั่ม/ผงพลาสติก เป็นตัวกลางในการขึ้นชิ้นงาน โดยจะพิมพ์สีลงไปเป็นตัวยึดจับ

การพิมพ์ด้วยการหลอมผงวัสดุ SLS (Selective Laser Sintering) หรือ SLM (Selective Laser Melting) วัสดุที่ใช้ได้แก่ ผงเทอร์โมพลาสติก, ผงโลหะ, ผงเซรามิก เป็นรูปแบบการพิมพ์ที่มีหลักการทำงานคล้ายระบบ SLA ต่างกันตรงแทนที่จะทำให้เรซิ่นแข็งตัวโดยการฉายแสง SLS จะใช้ความร้อนจากการฉายแสงเพื่อหลอมละลายทำให้ผงวัสดุหลอมละลายเป็นเนื้อเดียวกัน   

 ระบบอัดลามิเนต 
ระบบอัดลามิเนตไม่เป็นที่แพร่หลาย มีหลักการคือ ใช้การตัดรูปกระดาษเคลือบพลาสติก, แผ่นฟิล์มโลหะ หรือแผ่นฟิล์มพลาสติก ด้วยมีดหรือเครื่องตัดด้วยเลเซอร์และติดกาวต่อกันเป็นชั้นๆ วัตถุที่พิมพ์ด้วยเทคนิคนี้อาจได้รับการแก้ไขเพิ่มเติมโดยการตัดเฉือนหรือการเจาะหลังจากการพิมพ์https://web.archive.org/web/20100102182152/http://home.att.net/~castleisland/lom.htm

 อ้างอิง 

หมวดหมู่:สิ่งประดิษฐ์ของสหรัฐ
หมวดหมู่:การออกแบบเชิงอุตสาหกรรม
หมวดหมู่:ผลิตภัณฑ์ที่ออกในปี พ.ศ. 2527
หมวดหมู่:การผลิตเป็นจำนวนมาก